Эмбриональная диапауза

Бластоциста в состоянии диапаузы.

Эмбриональная диапауза (др.-греч. ἔμβρυον — зародыш и διάπαυσις — перерыв) — любой механизм вре́менной задержки развития эмбриона на любой стадии. В отношении плацентарных этот процесс преимущественно носит название задержанная имплантация.

Обнаружена среди несвязанных таксономических групп — от растений и насекомых и до хищных: у коловраток, низших ракообразных, саранчовых, тутового шелкопряда, у птиц и рыб, у около сотни видов млекопитающих, относящихся к 7 отрядам из 21, например у грызунов и хищных.

Несмотря на широкое распространение, её механизм изучен слабо. Особенности её протекания существенно различаются от вида к виду, что даёт основания утверждать, что её распространённость вызвана не только филогенетическими связями, но независимым возникновением независимо у разных видов в ходе эволюции, и что в некоторых экологических ситуациях она даёт серьёзные селективные преимущества. Природа этих преимуществ для большинства таксонов не выявлена, и ещё меньше известно об эволюционных связях механизма диапаузы среди современных видов.

Может происходить на разных стадиях развития эмбриона. Так, для насекомых различают ранне-, средне- и позднеэмбриональную диапаузу. У подавляющего большинства млекопитающих диапауза происходит только на одном этапе развития — на стадии бластоцисты перед имплантацией в стенку матки.

Определяющим свойством эмбриональной диапаузы у растений и животных является кардинальное уменьшение или прекращение митоза (разновидности деления) в эмбрионе, которое может происходить на фазе G0/G1 или G2 клеточного цикла. Возобновление митоза означает прекращение диапаузы.

Как эволюционный механизм, позволяет разнести процессы оплодотворения и активного развития эмбриона. Это даёт возможность производить оба процесса в наиболее благоприятные для данного вида моменты, что повышает выживаемость потомства, вплоть до того, что у некоторых видов зародыши в состоянии эмбриональной диапаузы выживают в условиях, в которых взрослые особи существовать не способны.

История изучения

По всей видимости, первое упоминание задержанной имплантации (эмбриональной диапаузы у млекопитающих) сделано в середине первой декады 17-го века в полевых заметках Уильяма Гарвея, написанных при сопровождении короля Англии Карла I в его поездке, связанной с охотой на косуль. Считается, что первое научное описание задержанной имплантации дал Бишофф (Bischoff) в 1854 году, изучая европейских косуль.

Эмбриональная диапауза у насекомых изучалась отдельно от диапаузы у зверей, и часто совместно с другими видами диапаузы.

Термин «диапауза» был введён Уилером в 1893-м году для описания состояний развития эмбриона длинноусых прямокрылых Xiphidium ensiferum. В той работе под диапаузой понималась стадия покоя между разнораправленными движениями эмбриона в желтке. Новое значение термину дал Хеннегуй (Henneguy) в своей работе 1904-го года; в ней под диапаузой понималось состояние остановки развития как в эмбрионе, так и во взрослом насекомом. Выделение двух типов диапаузы — факультативной и облигатной — было предложено Стейнбергом (Steinberg) и Каменски (Kamensky) в 1936-м году.

Для эмбриональной паузы у членистоногих часто используется термин «яйцевая диапауза» (англ. egg diapause, ovarian diapause). Предположения о том, что эмбриональная диапауза может быть связана с гормонами встречаются в работах Копеца (Kopec) 1917-го и 1922-го годов. В 1924 японский исследователь Ватанабе (Watanabe) пришёл к выводу, что диапауза у яиц шелкопряда связана с получением «ингибирующего» вещества от материнского мотылька. Изучение связанных с эмбриональной диапаузой гормональных процессов насекомых (Bombyx mori) связано с именами следующих исследователей: Фукуда (Fukuda), Кинсаку Хасегава (Kinsaku Hasegawa), Лис (Lees) и де Вилд (de Wilde). Фукуда и Хасегава независимо друг от друга 1951 году сообщили выводы о нейрогормональном механизме управления диапаузой В начале 1990-х структура «гормона диапаузы» была выявлена.

Термин «эмбриональная диапауза» (англ. embryonic diapause) был предложен австралийским зоологом Сесилем Хью Тиндэйл-Бриско (Cecil Hugh Tyndale-Briscoe) в 1963-м году в работе «Роль жёлтого тела в задержанной импантации и сумчатых». Его предложение основывалось на том, что у сумчатых возобновившая развитие бластоциста, в отличие от планцетарных млекопитающих, имплантируется в стенку матки не сразу, всвязи с чем ранее использованный термин «задержанная имплантация» (англ. delayed implantation) неточно описывал процесс. . Позже термин был обобщён на всех млекопитающих и на иные организмы.

Дискуссия о разнообразии проявления задержанной имплантации у близкородственных видов в 1980-х связывается с именами Микаэля Санделла (Mikael Sandell) и Кэролин Кинг (Carolyn M. King). В их работах рассматривался вопрос, почему у горностая (Mustela erminea) эмбриональная диапауза наблюдается, а у малой ласки (Mustela nivalis) — нет.

Тщательный обобщающий анализ был сделан в начале 2000-х голов Майклом Томом (Michael Thom) и другими учёными на основе построения филогенетического дерева куньих. Однако в целом считается, что эмбриональная диапауза изучена плохо, несмотря на широкое распространение в природе.

Покой семян у растений

Эмбриональная диапауза у растений называется покоем семян.

Покой семян — это состояние жизнеспособных семян, при котором они не произрастают. Если причиной покоя являются отсутствие условий для произрастания, такое состояние называется вынужденным покоем. Покой, связанный с особыми свойствами зародышей, называется органическим и проявляется в отсутствии прорастания или снижения всхожести при благоприятных для прорастания внешних условиях.

Существует три основных типа органического покоя семян:

• Морфологический — семена выпадают незрелыми, и перед прорастанием требуется некоторый период роста или дифференцировки.
• Физический — семена имеют водонепроницаемую оболочку, и для прорастания требуется нарушение её целостности.
• Физиологический — покой сохраняется до того момента, как в зародыше произойдут химические изменения.

Типы покоя могут совмещаться в одном семени. Сильно распространён морфофизиологический покой — то есть одновременно относящийся и к морфологическому, и к физиологическому типу. Сочетание физического и физиологического покоя встречается редко, а сочетание морфологического типа с физическим невозможно.

Функциями покоя семян являются предотвращение всхода семян в условиях, которые благоприятны для всхода, но неблагоприятны для последующего роста и выживания растения, а также увеличение разнообразия вариантов развития — распространение семян в более широких ареалах и разновременный всход семян.

У некоторых растений семена в состоянии покоя могут находиться очень продолжительное время, вплоть до тысяч лет. Так, в 1951 году на северо-востоке Китая были обнаружены древние семена лотоса примерно тысячелетнего возраста.

Эмбриональная диапауза у членистоногих

Циста Artemia franciscana (размер ок. 200—250 мкм.

Эмбриональная диапауза обнаружена среди насекомых, ракообразных, паукообразных.

Один из предметов изучения является рачок Artemia franciscana. Его диапазирующий эмбрион, также называемый цистой, способен выживать в экстремальных условиях.

Эмбриональная диапауза у насекомых

У насекомых эмбриональная диапауза может происходить на различных стадиях развития эмбриона. Часто она называется «яйцевой диапаузой» (англ. egg diapause, ovarian diapause).

• Раннеэмбриональная (на ранних стадиях развития эмбриона).
• Среднембриональная (на поздних стадиях развития эмбриона, после формирования нейроэндокринной системы).
• Позднеэмбриональная (полностью развившаяся личинка, до выхода из яйцевой оболочки).

Однако у большинства видов диапауза происходит только в на одной из указанных стадий.

В регионах с большими перепадами температуры диапауза позволяет пережить морозные зимы либо периоды засухи за счёт большей устойчивости находящегося в состоянии диапаузы эмбриона к неблагоприятным условиям по сравнению со взрослыми особями.

Механизм диапаузы позволяет синхронизировать вылупление взрослых особей, увеличивая шансы на спаривание. Такая синхронизация важна, например, для долгоживущих видов наподобие дозорщиков, у которых личиночная стадия продолжается два лета, при этом скорость развития отдельных особей существенно различается.

Во многих случаях течение диапазы определяется фотопериодом, испытанным материнским организмом. У некоторых видов, к примеру, у тутового шелкопряда (Bombyx mori) или волнянки античной (Orgyia antiqua) эмбриональная диапауза задаётся эмбриону «гoрмоном диапаузы», который вырабатывается в подглоточном ганглии матери и передаётся яйцу.

Наиболее подробно механизм эмбриональной диапаузы у насекомых был изучен тутового шелкопряда (Bombyx mori. Вероятно, именно на этом организме лучше всего изучены механизмы подавления диапаузы. У ряда видов тутового шелкопряда наблюдается облигатная диапауза, такие виды являются моновольтинными. У других наблюдается факультативная диапауза, и они могут давать несколько поколений в течение одного года. Будет ли эмбрион такого вида проходить через стадию диапаузы, зависит от фотопериода, в течение которого развивался эмбрион его матери. Если эмбриональное развитие матери проходило в период высоких температур и большой продолжительности дня, то откладываемые ею яйца будут проходить через диапаузу на ранних стадиях развития. Если мать развивалась в период низких температур и коротких дней, её яйца будут развиваться без диапаузы. Таким образом, родившиеся весной, когда дни коротки, дадут потомство, выросшее летом и без диапаузы. Оно в свою очередь отложит яйца, которые пройдут через диапаузу и таким образом переживут зиму, чтобы развиться весной. В результате, такие виды оказываются бивольтинными, дающими два поколения в год.

Эндокринная связь между фотопериодом при развитии матери и диапаузой её яиц была выявлена Фукудой и Хасегавой в 1951 году. Гистологическими методами они показали, что что при развитии зародышей и ранних личинок тутового шелкопряда при сравнительно высокой температуре (25 °C) и длинном световом дне в подглоточном ганглии куколки выделяется специальный гормон диапаузы (обозначаемый DH). Он приводит к увеличению содержания в яйцах гликогена и пигмента; такие яйца развиваются с диапаузой. Введение этого гормона женским куколкам приводит к тому, что они откладывают как диапазирующие, так и недиапазирующие яйца вне зависимости от того, какие яйца они должны были откладывать по условиям собственного развития.

В 1991 году Имаи гормон диапаузы тутового шелкопряда был выделен и синтезирован. Он имеет молекулярную массу 2645 а. е. м., состоит из 24 аминокислот (TDMKDESDRGAHSERGALWFGPRL-амид), с амидированием на карбоксильном конце.

Эмбриональная диапауза у позвоночных

По всей видимости, у ряда различных представителей позвоночных эмбриональная диапауза возникла независимо в ходе эволюции в результате того, что виды, развитие зародышей которых могло приостанавливаться в зависимости от внешних условий, получили селективное преимущество:

• во-первых, диапауза позволяет эмбриону в состоянии покоя дожидаться, пока внешние условия не станут более благоприятными для его выживания;
• во-вторых, диапауза позволяет увеличить промежуток времени между оплодотворением и рождением без изменения скорости конкретных процессов развития.

У многих видов диапауза выражается только в уменьшении скорости митоза на ранних стадиях развития эмбриона, а на последующие процессы развития влияния почти не оказывается.

У подавляющего большинства млекопитающих и большинства рукокрылых эмбриональная диапауза не зависит от температуры, у остальных позвоночных — зависит.

Наблюдается среди карпозубых, черепах, сумчатых и высших зверей.

Яркие примеры диапаузы обнаружены у ряда карпозубых Африки и Южной Америки: представители родов Austrofundulus, Aphyosemion, Cynolebias, Nothobranchius живут в водоёмах, которые существуют только в сезон дождей и полностью высыхают в остальное время. Время жизни взрослых особей приходится только на сезон дождей. Они откладывают эмбрионы в ил на глубине водоёма. С его высыханием все взрослые особи умирают, но клетки эмбрионов перед полным обезвоживанием отделяются друг от друга, рассеиваются и впадают в длительную диапаузу. Эта подготовка позволяет эмбрионам избежать полного иссушения посредством механизма, который пока ещё не изучен. Когда водоём в сезон дождей наполняется водой, смачивание эмбрионов водой восстанавливает их целостность, и их развитие возобновляется.

Другая форма диапаузы наблюдается у некоторых видов морских черепах, у которых спаривание и оплодотворение может происходить за 3000 км до мест гнездовья. Развитие зародыша останавливается на стадии нерулы на период миграции. В этой ситуации самка несёт в себе зародыш, не тратя энергию на поддержку его развития. Как только зародыши отложены в виде «яиц», они продолжают свою программу развития в гнезде.

Эмбриональная диапауза у млекопитающих

У подавляющего большинства млекопитающих задержка развития эмбриона происходит только перед имплантацией в стенку матки. Для плацентарных этот процесс традиционно часто называется «задержанной имплантацией», для сумчатых используется название «эмбриональная диапауза», так как возобновившая своё развитие бластоциста у них имплантируется в матку не сразу, в отличие от планцетарных.

Также у многих видов рукокрылых наблюдается задержка в развитии эмбриона после имплантации. Она называется «задержанное развитие» (англ. delayed development), обнаружена и среди представителей летучих мышей, и среди представителей крыланов. У коротконосых крыланов (cynopterus sphinx) этот процесс регулируется мелатонином.

Различают обязательную (облигатную, сезонную) и факультативную (необязательную, лактационную) эмбриональную диапаузу. В первом случае диапауза происходит в ходе каждой беременности (в частности, в определённое время года), а во втором случае — в условиях метаболического стресса (преимущественно при лактации).

Из сумчатых, эмбриональная диапауза наблюдается у всех кенгуру, валлаби, и кенгуровых крыс, за исключением западного серого кенгуру (Macropus fuliginosus), кенгуру Лумхольтца (Dendrolagus lumholtzi), и кунгуровой мускусной крысы (Hypsiprymnodon moschatus), а также встречается у некоторых видов поссумов-пигмеев, перохвостых акробатов (Acrobates pygmaeus), и поссумов-медоедов. Даже у хищных сумчатых, у которых диапауза как таковая не наблюдается, в процессе развития бластоцисты происходит существенное изменение. Механизм регуляции диапаузы подробно изучен только для таммаров (Macropus eugenii).

Некоторым видам присущи оба механизма диапаузы — и обязательная, и факультативная, и они проявляются в зависимости от времени года. К таким видам относятся, например, таммары; механизм регуляции разных видов диапаузы различен: двустороннее удаление шейного ганглия у самок таммара устраняет сезонную эмбриональную диапаузу, но не оказывает влияния на лактационную.

Задержанная имплантация у млекопитающих

Филогенетическое дерево для куньих.

+ + Taxidea taxus   + + Mellivora capensis   ? ‑ Poecilogale albinucha   ? + Mustela vison   ? ? ? + Mustela lutreola   ‑ Mustela sibirica     ‑ ‑ Mustela putorius   ‑ ‑ Mustela eversmanni   ‑ Mustela nigripes         ? + Mustela frenata   ‑ Mustela nivalis   ? ‑ Mustela altaica   + Mustela erminea           ? ‑ Eira barbara   + + Gulo gulo   + + Martes pennanti   + + Martes foina   + + Martes zibellina   + + Martes americana   + Martes melampus         + + Martes flavigula   + Martes gwatkinsii           ? + Vormela peregusna   ‑ ‑ Ictonyx libyca   ‑ Ictonyx striatus           + + Arctonyx colaris   + Meles meles     + + + Enhydra lutris   ? + Lontra canadensis   ‑ Lutra lutra     ‑ ‑ Amblonyx cinereus   ‑ ‑ Aonyx capensis   ‑ Aonyx congicus       ‑ ‑ Lutrogale perspicilata   ‑ Lutra maculicollis   ‑ Pteronura brasiliensis       + + Conepatus mesoleucus   + + + Mephitis macroura   + Mephitis mephitis     + ‑ Spilogale putorius   ‑ Spilogale pygmaea   + Spilogale gracilis             Обозначения: + — задержанная имплантация присутствует — — задержанная имплантация отсутствует ? — реконструкция неоднозначна

Задержанная имплантация — это задержка развития эмбриона ряда плацентарных на стадии бластоцисты перед имплантацией в стенку матки.

Корректность термина «задержанная имплантация» была поставлена под сомнение, но он продолжает использоваться наряду с предложенным для его замены термином «эмбриональная диапауза».

Задержанная имплантация происходит не из-за случайного неприкрепления зародыша к слизистой оболочке матки, а из-за ингибирующего влияния матки на развитие бластоцист. Развивающееся яйцо, пройдя в яйцеводах период дробления и достигнув стадии бластоцисты, попадает в полость матки. Здесь оно некоторое время находится во взвешенном положении в жидкости просвета матки, без контакта с эпителием матки. У разных млекопитающих такая ситуация может длиться от нескольких часов (у хомяков) и 2—3 дней (у человека) до нескольких месяцев (у соболя, броненосца и других) — последний случай сопровождается эмбриональной диапаузой. Для начала процесса имплантации в матке должны произойти как общие изменения, определяющиеся гормональным фоном, так и локальные, связанные со взаимодействием с бластоцистой. В районе контакта с эмбрионом (или небольшого расстояния до него) клетки соединительно-тканной стромы матки преобразуются в децидуальные клетки. Вероятно, наряду с другими факторами, решающую роль в данном процессе играют иммунологические факторы.

Морфология остановившегося в развитии эмбриона различна у разных видов из числа тех, у которых происходит задержанная имплантация. У многих из них эмбрион перед диапаузой проходит процесс хетчинга, при этом количество клеток в нём может составлять от 30—40 у косуль и 130 у мышей до 700 у девятипоясных броненосцев.

Задержанная имплантация была обнаружена у около сотни видов млекопитающих, относящихся к 7 отрядам из 21, в 17 из 139 семейств: у парнокопытных (Artiodactyla), сумчатых (Marsupalia), насекомоядных (Insectivora), рукокрылых (Chiroptera), неполнозубых (Edentata), хищных (Carnivora) и грызунов (Rodentia). (В ряде источников со ссылокой на Айткена указывается цифра 8 отрядов; это связано с тем, что ранее ластоногие (pinnipeds) относились к отдельному отряду.) Облигатная диапауза выявлена по меньшей мере у 53 видов в 7 отрядах, 10 семействах; при этом почти половина из этих видов относится к одному семейству — куньих. Задержанная имплантация наблюдается у 34 % куньих, в то время как в целом по млекопитающим она выявлена только для менее чем 0,05 %, что делает куньих предметом особого интереса исследователей.

Распространение задержанной имплантации среди млекопитающих носит нерегулярный характер. Значительное число подсемейств и даже родов включают как виды, у которых она наблюдается, так и виды, у которых её нет. Яркими примерами таких пар родственных видов, часто имеющих сходную среду обитания, но различающихся наличием и отсутствием задержанной имплантации, являются: канадская речная выдра (Lontra canadensis, задержанная имплантация есть) и выдра обыкновенная (Lutra lutra — нет); горностай (Mustela erminea — есть) и малая ласка (Mustela nivalis — нет); западный (Spilogale gracilis — есть) и восточный (Spilogale putorius — нет) пятнистые скунсы.

Существует подтверждённая исследованиями гипотеза, что задержанная имплантация преимущественно встречается в климате с выраженными сезонами, а также у долгоживущих организмов.

Задержанная имплантация позволяет разнести процессы спаривания и вынашивания, фактически увеличивая период беременности. Это даёт возможность производить оба процесса в наиболее благоприятные для данного вида моменты, что повышает выживаемость потомства.

Гипотезы о возможности задержанной имплантации у человека

Несмотря на отсутствие прямых свидетельств того, что человеческий эмбрион может входить в состояние диапаузы, нельзя исключать возможность этого при определённых обстоятельствах.

Если удастся разработать метод искусственно вызывать диапаузу, это может увеличить:

• выживаемость эмбрионов после различных процедур;
• вероятность имплантации экстракорпорально оплодотворённого эмбриона.

В нескольких исследованиях обнаружены задержки выработки хорионического гонадотропина при маточных и внематочных беременностях, хотя эти задержки скорее могут быть объяснены задержками в развитии, а не диапаузой.

В исследовании 1996 года описан случай задержки имплантации на 5 недель после ЭКО. Процесс проходил в условиях клиники с регулярным измерением уровня хорионического гонадотропина и проведением УЗИ. Эта пациентка ранее родила четырёх детей, причём основываясь на дате последней менструации, третий ребёнок родился на пять недель, а четвёртый - на две недели позже обычного срока человеческой беременности.

Исследования в этом направлении затруднены этическими соображениями. Исследования на макаках показали, что введение диклофенака (ингибитор синтеза простагландина) вместе с мисопростолом (аналог простогландина Е₁) приводят к задержке имплантации до 6 суток, однако не было показано, что задержка вызвана именно диапаузой.

Механизм задержанной имплантации

В каждом семействе характеристики диапаузы различны, и регулирующие её факторы могут быть различными: диапауза может носить лактационный или сезонный характер, основываться на выработке эстрогена или прогестерона, зависеть от фотопериода или изменения состава пищи. Одним из основных гормонов, определяющих эндокринную картину у многих видов, является пролактин; однако он может как стимулировать, так и ингибировать жёлтое тело.

	→ ← 4-OH-E2 (ПГE2) (цАМФ)
Развивающаяся бластоциста EGFR ↑ ; COX-2 ↑ ; H2-R ↑ CB1 ↓		Диапазирующая бластоциста EGFR ↓ ; COX-2 ↓ ; H2-R ↓ CB1 ↑
Молекулярные маркеры остановки и возобновления развития бластоцисты грызунов. EGFR — рецептор эпидермального фактора роста COX-2 — циклооксигеназа-2 H2-R — гистаминовый рецептор 2-го типа CB1 — каннабиноидный рецептор мозгового типа 4-OH-E2 — 4-гидроксиэстрадиол ПГE2 — простагландин Е2 цАМФ — циклический аденозинмонофосфат ICM — внутренняя клеточная масса Tr — трофобласт.

Так, секретирование пролактина гипофизом предотвращает имплантацию у таммаров, но форсирует возобновление развития и имплантацию у норок и пятнистых скунсов. Овариэктомия — предотвращает у куньих, но форсирует у армадиллов. Функция жёлтого тела остаётся постоянной у косуль и армадилло, но оно не завершает дифференциацию и выделяет низкий уровень прогестерона у хищных. Прогестерон вызывает имплантацию у таммаров, но у грызунов для этого требуется эстроген. У хищных же, по всей видимости, ни прогестерон, ни эстроген не может стимулировать имплантацию.

В регулировании сезонной диапаузы участвует мелатонин. Наиболее изучено его влияние для западных пятнистых скунсов, таммаров и норок, у которых пинеалэктомия или денервация шишковидной железы приводит к отсутствию сезонной эмбриональной диапаузы, а введение мелатонина влияет на длительность диапаузы. Однако, по всей видимости, мелатонин не оказывает прямого воздействия на эмбрион, а вызывает изменение нейроэндокринной регуляции матери.

В период задержанной имплантации матка находится в состоянии покоя. Молекулярные механизмы, регулирующие процесс задержанной имплантации, изучены слабо.

На мышах и крысах проводили овариэктомию перед моментом выброса значительных количеств эстрогена, что приводило к развитию диапаузы бластоцисты в просвете матки.

У грызунов состояние задержанной имплантации можно поддерживать продолжительное время при помощи прогестерона. При этом единичная инъекция эстрогена приводит к стремительной активации бластоцисты. Несмотря на то, что механизм регуляции этого процесса эстрогеном изучены мало, выявлены некоторые молекулярные маркеры.

Несмотря на наличие морфологических различий между бластоцистой в нормальном состоянии и в состоянии диапаузы, некоторые из молекулярных маркеров обратимо регулируют её стадии развития.

Так, 4-OH-E₂, ПГЕ₂ и цАМФ могут активировать покоящуюся бластоцисту ин-витро и активировать либо подавлять конкретные молекулы маркеров, как указанно на иллюстрации. Если нормальная бластоциста переходит в состояние диапаузы перед прикреплением в матке, аналогичный процесс происходит в обратном направлении.

Литература

• Flavia L. Lopes, Joëlle A. Desmarais and Bruce D. Murphy. Embryonic diapause and its regulation (англ.) // Reproduction. — 2004. — Вып. 128. — P. 669—678.